特殊條件焊接裂紋

1、1-4特殊條件焊接裂紋特殊條件焊接裂紋，主要討論：層狀撕裂，低溫下焊接時(shí)的裂紋，水下焊接時(shí)的裂紋。一.層狀撕裂：層狀撕裂-厚板結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，由于 z向（板厚方向）受力而致使沿其的軋層產(chǎn)生開(kāi)裂 的現(xiàn)象，謂之層狀撕裂。層狀撕裂，主要產(chǎn)生于厚板角焊時(shí)，其特征為平行于鋼板表面，沿軋制方向呈階梯形發(fā) 展。這種裂紋往往不限于熱影響區(qū)內(nèi)，也可出現(xiàn)在遠(yuǎn)離表面的母材中。其產(chǎn)生的主要原因是 由于金屬中非金屬夾雜物的層狀分布，使鋼板沿板厚方向塑性低于沿軋制方向，另外由于厚板角焊時(shí)在板厚方向造成了很大的焊接應(yīng)力，所以引起層狀撕裂。通常認(rèn)為片狀硫化物夾雜 危害最大，而層狀硅酸鹽和過(guò)量密集的氧化鋁夾雜物也有影響。防止這種缺

2、陷，主要應(yīng)在冶 金過(guò)程中嚴(yán)格控制夾雜物的數(shù)量和分布狀態(tài)。另外，改進(jìn)接頭設(shè)計(jì)和焊接工藝，也有一定的 作用。（一）層狀撕裂產(chǎn)生原因與特征：1. 層狀撕裂產(chǎn)生原因：（1）內(nèi)因-母材軋制時(shí)，緣軋層上存在脆弱的軋層 -非金屬夾雜物。（由于夾雜物與 基體脫離而形成的層狀撕裂，可稱為脫聚開(kāi)裂）（2）外因-焊接時(shí)，承受較大的 Z向（板厚方向）拉伸應(yīng)力。2. 常見(jiàn)層狀撕裂的焊接結(jié)構(gòu)及分類(lèi)：（1）常見(jiàn)層狀撕裂的焊接結(jié)構(gòu)：1）T形接頭如：海洋采油平臺(tái)、承受高周疲勞作用的車(chē)輛底盤(pán)、建筑結(jié)構(gòu)的箱形 梁柱、罐車(chē)或油船中隔板加強(qiáng)肋等。2）角接接頭如：壓力容器沉淀釜等（2）層狀撕裂按其啟裂點(diǎn)分類(lèi)：第一類(lèi)-以焊根冷裂紋或焊趾冷

3、裂紋為啟裂源，并沿軋層擴(kuò)展的層狀撕裂。如圖14焊根冷裂紋為啟裂源焊趾冷裂紋為啟裂源圖 1-4-11-4-2所示:第二類(lèi)-沿?zé)嵊绊憛^(qū)中的軋層夾雜物啟裂的層狀撕裂。如圖沿?zé)嵊绊憛^(qū)軋層夾雜物啟裂的層狀撕裂圖 1-4-2沿板厚中心（遠(yuǎn)離熱影響區(qū)）軋層夾雜物啟裂的層狀撕裂圖 1-4-3第三類(lèi)-沿板厚中心（遠(yuǎn)離熱影響區(qū)）軋層夾雜物啟裂的層狀撕裂。如圖5-5-3所示:3. 層狀撕裂發(fā)生部位:（1 ）層狀撕裂最易產(chǎn)生于全溶透的 T形接頭或角接接頭中。（2）主要發(fā)生于熱影響區(qū)，在熱影響區(qū)以外的母材中也有發(fā)生。（3）層狀撕裂形成的根本條件：是軋層中存在多量非金屬夾雜物，而易于造成脫聚開(kāi)裂。因此，即使低碳鋼的厚板接

4、頭也有層狀撕裂的危險(xiǎn)！（4 ）層狀撕裂不會(huì)產(chǎn)生于焊縫中！4. 層狀撕裂特征：（1）脫聚開(kāi)裂：層狀撕裂屬于冷裂范疇，但不同于通常所說(shuō)的焊接冷裂紋（氫致裂紋或淬硬開(kāi) 裂），而與夾雜物存在（夾雜物與基體脫離）的脫聚開(kāi)裂是其最大特點(diǎn)。故此，僅 僅依靠預(yù)熱和消氫處理，難以防止層狀撕裂?。?）層狀撕裂的起源：層狀撕裂是一種產(chǎn)生于母材內(nèi)部的微小裂紋，不但無(wú)損探傷比較難以發(fā)現(xiàn)，且更難以排除或修補(bǔ)。（3）延遲性：層狀撕裂在焊接過(guò)程中即可形成，也可在焊接結(jié)束后啟裂和擴(kuò)展，甚至還可能延遲至使用期間才見(jiàn)到層狀撕裂 -具有延遲破壞性。（4）層狀撕裂的 斷口特征：臺(tái)階（由平臺(tái)和剪切壁組成）、韌窩。1）平臺(tái)：層狀撕裂的內(nèi)因

5、是：金屬材料中存在非金屬夾雜物，焊接時(shí)在Z向拉應(yīng)力的作用下，非金屬夾雜物與金屬基體結(jié)合處脫離，形成顯微裂紋；裂紋兩尖端的缺口效應(yīng)造成應(yīng)力、應(yīng)變集中，使裂紋沿自身所處的平面擴(kuò)展；在同一平面相鄰的一群夾雜物連成一片，形成一個(gè)“平臺(tái)”。在掃描電鏡高倍下觀察時(shí)，在平臺(tái)表面可見(jiàn)到大量片狀、球狀、長(zhǎng)條狀的非金 屬夾雜物。2 ）剪切壁：由于夾雜物不一定全處于一個(gè)平面，所以也可能在不同軋層形成平臺(tái)；鄰近的平臺(tái)，在裂紋尖端處由于產(chǎn)生切應(yīng)力的作用而發(fā)生剪切斷裂，便形成了 “剪切壁”。在掃描電鏡，低倍下的層狀撕裂斷口呈典型的木紋狀-這是層層平臺(tái)在不同高度分布的結(jié)果。這些平臺(tái)與剪切壁便構(gòu)成了層狀撕裂所特有的臺(tái)階狀裂紋

6、。3）韌窩： 層狀撕裂主要是由于 Z向拉應(yīng)力達(dá)到一定程度后，使夾雜物與基體金屬沿弱 結(jié)合面脫離而開(kāi)裂。 裂紋長(zhǎng)度比夾雜物長(zhǎng)度大幾倍乃至幾百倍，故層狀撕裂不是夾雜物的簡(jiǎn)單開(kāi)裂。 金屬基體總是具有一定的塑性變形能力，當(dāng)夾雜物與母材基體脫離或夾雜物本身開(kāi)裂后，基體金屬仍會(huì)有較大的塑性變形，故斷口表面會(huì)有大量韌窩 （夾雜物散布于韌窩中）。（二）影響層狀撕裂的因素：1鋼中軋層上的夾雜物：（1 ）最常見(jiàn)的是硫化物與硅酸鹽夾雜物：1 ）目前還很難通過(guò)試驗(yàn)區(qū)分清楚，究竟是哪一種夾雜物對(duì)層狀撕裂的影響更大。2）鋼中含硫量越多，Z向拉伸的延性就越差層狀撕裂傾向越大。為提高鋼的抗 層狀撕裂性能，應(yīng)盡量降低鋼的含硫量

7、。3）具有良好抗層狀撕裂的鋼，稱之為“ Z向鋼”。一般按含硫量及斷面收縮率對(duì)Z向鋼進(jìn)行分級(jí)。如下表所示：標(biāo)記鋼的含硫量（%）斷面收縮率（%）用途6個(gè)試樣平均值單個(gè)試樣Z15<0.010>15>10可能產(chǎn)生層狀撕裂的焊接結(jié)構(gòu)Z25<0.008>25>15層狀撕裂危險(xiǎn)性大的焊接結(jié)構(gòu)Z35<0.006>35>25層狀撕裂危險(xiǎn)性大而又特別重要的焊接結(jié)構(gòu)（2）應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào) 夾雜物的成分，不是影響層狀撕裂的決定性因素： 不論何種夾雜物，它與基體金屬的結(jié)合力均低于金屬基體的強(qiáng)度。 均可造成層 狀撕裂。（3）夾雜物的大小、形態(tài)、數(shù)量、分布特性對(duì)層狀撕裂的影響：

8、1）從夾雜物的大小來(lái)看，主要決定于它們的平均長(zhǎng)度和總長(zhǎng)。2）從夾雜物的形態(tài)來(lái)看，端部尖銳的薄片狀比端部鈍而厚的影響要大。3）從夾雜物的數(shù)量、 分布來(lái)看， 只要是片狀?yuàn)A雜物 （硫化物、 硅酸鹽、 氧化鋁等）， 大量密集于同一平面內(nèi)，都易造成層狀撕裂。2. 母材基體性能的影響：從層狀撕裂的斷口特征 臺(tái)階（由 “平臺(tái)”和“剪切壁”組成）、韌窩來(lái)看， 可知：層狀撕裂的 “平臺(tái)” 是由同平面的許多、分離的夾雜物開(kāi)裂后，相互擴(kuò)展而連成 的；“剪切壁” 是由相鄰平面裂紋通過(guò)剪切而連通形成的。不論是水平方向擴(kuò)展、 還是垂直方向擴(kuò)展剪切， 都直接與基體金屬性能有聯(lián)系！ 特別是夾雜物數(shù)量不多時(shí)， 基體性能對(duì)層狀撕

9、裂的影響更為突出?。?）基體金屬的延性、韌性對(duì)層狀撕裂的影響：實(shí)踐證明，斷面收縮率對(duì)層狀撕裂的影響非常明顯：1）10%，在低度拘束的T形接頭（工字梁），就可能有一些層狀撕裂傾向。2）縮率w 15%，在中等拘束的接頭，如箱形梁柱，會(huì)有一定的層狀撕裂傾向。3） 縮率w 20%，只有在高拘束度的接頭（如節(jié)點(diǎn)板），時(shí)有一定層狀撕裂傾向。4）縮率25%，在任何接頭中，一般都不致產(chǎn)生層狀撕裂。（ 2）組織狀態(tài)的影響：顯然，織硬脆會(huì)增大層狀撕裂的敏感性。1 ）碳當(dāng)量大的鋼，會(huì)增大層狀撕裂的敏感性。2） 擴(kuò)散氫含量增高（冷裂敏感指數(shù)高），會(huì)使層狀撕裂傾向增大。3）硫的含量增高，層狀撕裂傾向增大。（ 3）對(duì)于低

10、碳鋼厚板結(jié)構(gòu)而言（碳當(dāng)量很小、對(duì)氫脆也不敏感）：層狀撕裂主要決定于夾雜物總長(zhǎng)或硫的含量。3. 接頭形式的影響：有文獻(xiàn)總結(jié)已往層狀撕裂實(shí)例，對(duì)焊接接頭層狀撕裂危險(xiǎn)提出下列關(guān)系式：層狀撕裂危險(xiǎn)=焊腳尺寸的影響（為0.3S） +接頭形式的影響+接頭橫向拘束的影響（為0.2 3)+拘束度的影響+預(yù)熱條件的影響層狀撕裂危險(xiǎn)與各關(guān)系表接頭橫接頭橫向拘束=0.2 33 =2043 =408向拘束3 =6012束度低-可自由收編，如的 T形接頭0拘束度中-可部分自由收編，如隔板3高-難以自由收編，如環(huán)焊縫5預(yù)熱條件不預(yù)熱預(yù)熱溫度100 ° C0-8層狀撕裂危險(xiǎn)為正值時(shí)，表示具有大的層狀撕裂危險(xiǎn)，其值

11、越大，危險(xiǎn)性越大；層狀撕裂危險(xiǎn)為負(fù)值時(shí)，表示具有抵抗層狀撕裂的性能，其絕對(duì)值越大，抗層狀撕裂性能越好。從表中可看出：（1）焊腳尺寸S的影響，S值越大，層狀撕裂危險(xiǎn)越大。（2）接頭形式的影響：1）表中不會(huì)引起較大的 Z向拉應(yīng)力，不致引起層狀撕裂，具有最優(yōu)異的抗層狀撕裂的性能。故層狀撕裂危險(xiǎn)值 =-25。2）表中由于在Z向開(kāi)了坡口，提高了抗層狀撕裂性能，也有較好的抗層狀撕裂的性能。故層狀撕裂危險(xiǎn)值 =10。3 ）表中應(yīng)用延性優(yōu)異的低強(qiáng)隔離焊縫，由于其承受Z向應(yīng)力的作用，從而減輕對(duì)軋層的作用，也提高了抗層狀撕裂的性能。故層狀撕裂危險(xiǎn)值=5。4） 表中為未開(kāi)坡口的 T形接頭，這種角焊縫不會(huì)引起較大的Z

12、向拉應(yīng)力，一般不會(huì)出現(xiàn)層狀撕裂。故層狀撕裂危險(xiǎn)值=05）表中為開(kāi)坡口的 T形接頭，又未應(yīng)用隔離焊縫，其層狀撕裂傾向增大。其層 狀撕裂危險(xiǎn)值=35。6） 表中與同為角接接頭，雖也開(kāi)坡口，但之立板會(huì)有較大的Z向拉應(yīng)力，所以其層狀撕裂傾向大，層狀撕裂危險(xiǎn)值=8。（3） 接頭橫向拘束的影響： 板厚（3）越大，層狀撕裂危險(xiǎn)越大！ 層狀撕裂危險(xiǎn)值=0.2S。（4） 拘束度的影響：拘束度越大，層狀撕裂傾越大?。?）預(yù)熱條件的影響：米用預(yù)熱有利。（三）防止層狀撕裂措施：1. 正確選用Z向鋼：在接頭形式一定時(shí)，焊接工藝方式對(duì)層狀撕裂有一定影響，但是產(chǎn)生層狀撕裂主要取決于鋼材材質(zhì)。因此，當(dāng)層狀撕裂危險(xiǎn)值較大時(shí)，必

13、須采用斷面收縮率較大的、含硫 量低的Z向鋼。（1 ）結(jié)構(gòu)件整體選用 Z向鋼：下表列出了層狀撕裂危險(xiǎn)值與所要求的斷面收縮率對(duì)應(yīng)數(shù)值。層狀撕裂危險(xiǎn)值與所要求的斷面收縮率對(duì)應(yīng)數(shù)值層狀撕裂危險(xiǎn)值要求的斷面收縮率對(duì)應(yīng)值（ %）平均值最小值< 10-10 20151020 302515>303525（2）結(jié)構(gòu)件部分選用 Z向鋼：無(wú)論管接頭還是板接頭，處于角焊縫強(qiáng)烈Z向垃用力作用部位可采用一段優(yōu)質(zhì)Z向鋼。如圖1-4-4所示:圖 1-4-4（3）選用適當(dāng)斷面收縮率的鋼材，以適應(yīng)不同拘束度的構(gòu)件。要求斷面收縮率值應(yīng)隨拘束度的增大而增大。如下表：接頭形式板厚S (mm)拘束度（N?mm-2）斷面收縮率

14、（%）T形接頭（不溶透）立S =25 水平S =205 00010T形接頭（完全溶透）立S =40 水平S =3012 00020+字接頭（不溶透）立S =水平S =2010 00015+字接頭（完全溶透）立S =水平S =4020 000252. 減小拘束度或拘束應(yīng)變:（1）貫通坂端部延伸一定長(zhǎng)度有利:超岀板厚臨界長(zhǎng)度不良良以上兩種接頭形式中，只要將接頭中的貫通板（出現(xiàn)層狀撕裂的板件），端部延伸出一定長(zhǎng)度（超出板厚一定尺寸），即可防止啟裂。注意！這里與再熱裂紋中舉例：改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，原設(shè)計(jì)下降管為“內(nèi)伸式”（伸出），結(jié)構(gòu)剛性較大。改為管端面與汽包內(nèi)壁齊平，使結(jié)構(gòu)的剛性有所降低。有不同之處，請(qǐng)各

15、位定要具體問(wèn)題具體分析處理!（2）改變焊縫布置使接頭總的受力方向與軋層平行，可大大改善抗層狀撕裂性能。如不良（3）改變坡口位置，以改變應(yīng)力、應(yīng)變方向：如下圖所示。層狀撕裂危險(xiǎn)值大層狀撕裂危險(xiǎn)值居中層狀撕裂危險(xiǎn)值最?。?）減小焊腳尺寸：減少焊縫金屬體積-咸少焊縫的收縮應(yīng)變。3. 改進(jìn)焊接工藝：（1 ）焊接方法選用：采用低氫的焊接方法有利，一般來(lái)說(shuō)，氣體保護(hù)焊比焊條電狐焊有利于改善層狀撕裂性能（冷裂傾向?。?。（2）填充金屬的選擇：1 ）采用低強(qiáng)組配的焊接材料有利-焊縫金屬屈服點(diǎn)低、延性高，使應(yīng)變集中于焊縫而減輕母材熱影響區(qū)的應(yīng)變，從而改善抗層狀撕裂性能。2）超強(qiáng)組配的焊接材料不利 -應(yīng)避免采用超強(qiáng)

16、組配的焊接材料?。?）焊接技術(shù)的運(yùn)用：1）堆焊隔離層-采用高延性、低強(qiáng)組配的焊接材料，堆焊隔離層。2 ）對(duì)稱施焊-使應(yīng)變分布均衡，減少應(yīng)變集中。3）采用適當(dāng)小的線能量-減少熱輸入，從而減小收縮應(yīng)變。注意適當(dāng)二字，否 則可能產(chǎn)生冷裂紋。4）控制焊縫尺寸，避免焊成過(guò)大的焊腳，采用小焊道、多道焊。5）嚴(yán)格控制焊接順序，盡可能減小垂直于板面方面的約束。以減小垂直于板面方 向的拉應(yīng)力！（4）其他措施：1）預(yù)熱-適當(dāng)預(yù)熱有利，但須防止因此而增大收縮應(yīng)變。2）中間退火消涂應(yīng)力。3）錘擊焊縫減少應(yīng)力。4. 焊接前對(duì)焊道中心兩側(cè)各 2倍板厚+ 30mm區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行超聲波探傷檢查， 母材中不 得有裂縫，夾層或者分

17、層等缺陷存在。小結(jié)：在具體條件下，應(yīng)分析層狀撕裂的成因，有針對(duì)性地采取措施！下表可供參考。層狀撕裂啟裂源分類(lèi)及其防止措施啟裂源分類(lèi)成 因防止措施第I類(lèi)以焊根冷裂紋或焊趾冷裂 紋為啟裂源，并沿軋層擴(kuò) 展的層狀撕裂。1. 影響冷裂紋的因素（淬 硬組織、氫脆、拉應(yīng) 力）。2. 軋長(zhǎng)的MnS夾雜物。3. 角變形引起的應(yīng)變集 中。1. 同防止冷裂紋的措施。2. 降低鋼中S含量。選用Z向鋼。3. 改變接頭或坡口形式，防止角 變形及應(yīng)變集中。第n類(lèi)沿?zé)嵊绊憛^(qū)中的軋層夾雜 物啟裂的層狀撕裂。1. 軋長(zhǎng)的MnS、硅酸鹽夾 雜物。2. 拘束度大。1. 降低鋼中夾雜物（如添加稀土 元素），選用Z向鋼。2. 減小拘束

18、度。3.氫脆。3. 改變接頭或坡口形式。4. 堆焊隔離層。第川類(lèi)沿板厚中心（遠(yuǎn)離熱影響 區(qū)）軋層夾雜物啟裂的層 狀撕裂。1. 軋長(zhǎng)的MnS、硅酸鹽夾 雜物。2. 拘束度大。3. 應(yīng)變時(shí)效。1. 選用Z向鋼。2. 減小拘束度。3. 改變接頭或坡口形式。4. 堆焊隔離層。.低溫下焊接時(shí)的裂紋：1低溫下焊接裂紋的形成：低溫條件下焊接時(shí)，由于焊縫金屬冷卻速度較快，因而裂紋傾向增大。這時(shí)常可見(jiàn)到焊接裂紋，不但有冷裂紋，也會(huì)有熱裂紋。（1）焊接結(jié)晶裂紋（熱裂紋）的形成：在低溫條件下焊接鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，最顯著的特點(diǎn)是-接頭具有很大的冷卻速度。因而：提高了焊縫結(jié)晶速度的同時(shí)，也提高了彈、塑性變形速度一即提高了焊縫結(jié)

19、晶時(shí)的應(yīng)力和變形的增長(zhǎng)率，這必然促使熱裂紋傾向增大。實(shí)際上，冷卻速度越大，熱裂紋傾向越發(fā)增大?。?）焊接冷裂紋的形成：由于冷卻速度提高，焊接接頭必然易于硬化，（與常溫下焊接相比）低溫下焊接的冷裂傾向必然增大。試驗(yàn)證明，環(huán)境溫度低于10° C時(shí)，冷裂傾向急劇增大。此外，低溫焊接時(shí)，氫也能促使冷裂傾向增大。2低溫下焊接裂紋的控制：（1 ）首要問(wèn)題-限制冷卻速度：1）焊前預(yù)熱-極為有效的措施。低溫環(huán)境下施焊，是否實(shí)施預(yù)熱工藝，確定預(yù)熱溫度；須綜合分析施焊材料的碳當(dāng)量、工件厚度、拘束度、焊條性質(zhì)的影響。2）控制層間溫度-極重要的措施！連續(xù)多層焊，應(yīng)控制層間溫度預(yù)熱溫度，它不但限制了冷卻速度，還可降低焊縫中擴(kuò)散氫的數(shù)量（有利于擴(kuò)散氫的逸出）。3）適當(dāng)提高線能量，也有利于降低冷卻速度。（2 ）正確選用材料：1 ）選擇低碳當(dāng)量的、低溫韌性優(yōu)良的低溫鋼。2）采用超低氫焊接材料，降低氫的不利影響，對(duì)防止低溫下焊接裂紋非常有利。3）采用高堿度焊條、焊劑、高純度焊絲等抗熱裂性能優(yōu)異的焊接材料。（3）同時(shí)可以下采取措施：1）安裝時(shí)，嚴(yán)禁強(qiáng)力組裝，避免強(qiáng)力組裝引起的外加應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力共同作 用，對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生威脅。2）采用低氫焊焊接方法。3）在焊接過(guò)程中，應(yīng)充分保證焊縫的自由收縮，減少焊接應(yīng)力，以免產(chǎn)生裂紋。4）在多數(shù)情況下，裂紋往往出現(xiàn)在頭道焊縫